KR20110057715A - Electric protection system of fuel cell - Google Patents

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KR20110057715A
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오승찬
임세준
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현대자동차주식회사
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Abstract

PURPOSE: An electric protection system of a fuel cell capable of efficient use of electricity of a fuel cell is provided to secure hydrogen and electric safety by stably decreasing the voltage of the fuel cell in the emergency stop of vehicle. CONSTITUTION: An electric protection system of a fuel cell comprises an electricity storage member(20), a main power source relay(30), a collision detecting relay(40), a collision sensor(50), and a controller(60). The electricity storage member is directly connected to a fuel battery(10). The main power source relay switches on and off the electric connection between a driving part(70) and the fuel battery. The collision detecting relay switches on and off the electric connection between the electricity storage member and the fuel battery. If the controller receives a collision sensing signal from the collision sensor, turns off the main power source relay and turns on the collision detection relay in order to electrically connect the fuel battery and electricity storage member.

Description

연료전지 전기 안전 시스템{Electric protection system of fuel cell}Fuel cell electrical safety system {Electric protection system of fuel cell}

본 발명은 연료전지 전기 안전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량 충돌로 인해 연료전지의 비상 정지가 요구될 시 연료전지의 전압을 전기적으로 안전하게 강하시켜 전기 안전성을 확보하는 연료전지 전기 안전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell electrical safety system, and more particularly, to a fuel cell electrical safety system that ensures electrical safety by electrically dropping the voltage of the fuel cell safely when an emergency stop of the fuel cell is required due to a vehicle crash. It is about.

일반적으로 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치로서, 그 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급된다. In general, a fuel cell is a kind of power generation device that converts chemical energy of a fuel into electric energy by electrochemically reacting in the fuel cell stack without converting it into heat by combustion. It is supplied as an anode and a cathode, respectively.

애노드로 공급된 수소는 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달 된다. Supplied to the anode hydrogen is a hydrogen ion (proton, H +) and electrons by the electrode catalyst (electron, e -) are decomposed into the hydrogen ion of only by selectively passing an electrolyte membrane is delivered to the cathode, at the same time E Is transferred to the cathode through the gas diffusion layer and the separator.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.In the cathode, hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode to generate a reaction. At this time, due to the movement of hydrogen ions, a flow of electrons occurs through an external conductor, and the flow of electrons generates current.

이러한 연료전지는 다수의 단위 셀이 적층되는 스택으로 이루어지며, 최대 약 1.0V의 전위를 가지는 단위 셀이 수 백장으로 적층 구성되는 경우 수백 V 이상의 고전압이 형성된다.Such a fuel cell includes a stack in which a plurality of unit cells are stacked, and when a unit cell having a maximum potential of about 1.0 V is stacked in hundreds of sheets, a high voltage of several hundred V or more is formed.

이렇게 고전압으로 운전되는 연료전지가 차량 충돌 등으로 인해 외부 충격을 받거나 혹은 비정상 상태인 경우 전기가 외부로 누설될 가능성이 있으며 이로 인한 전기 안전성이 문제가 된다.When a fuel cell operated at such a high voltage is subjected to an external shock or abnormal state due to a vehicle collision or the like, electricity may leak to the outside, resulting in electrical safety.

예를 들어, 연료전지의 전기가 누설될 경우 탑승자 또는 외부에서 차체와 접촉하는 있는 외부인에게 상해를 입힐 수 있고, 차량 내 주요 부품에 손상을 야기시키는 문제가 발생할 수 있다.For example, leakage of electricity from a fuel cell may cause injury to passengers or to outsiders who come into contact with the vehicle body from outside, and may cause damage to major components in the vehicle.

첨부한 도 1은 기존 연료전지 전기 안전 시스템을 갖추고 있는 전기 자동차를 도시한 부분도이다.1 is a partial view showing an electric vehicle equipped with a conventional fuel cell electric safety system.

연료전지의 고전압에 의한 인명 상해 등을 방지할 수 있는 전기 안전성을 확보하기 위하여, 기존에 US6,819,066 B2 가 개시된 바 있다.In order to secure electrical safety that can prevent personal injury due to high voltage of the fuel cell, US 6,819,066 B2 has been disclosed.

이는, 도 1에 도시된 바와 같이, 차량 충돌로 인해 연료전지(1)에 충격 발생시 연료전지(1)를 외부 케이스(2)에 전기적으로 연결하여 전기를 소모시킴으로써 연료전지(1)의 전압을 떨어뜨리도록 된다.As shown in FIG. 1, when a shock occurs in the fuel cell 1 due to a vehicle collision, the fuel cell 1 is electrically connected to the outer case 2 to consume electricity, thereby reducing the voltage of the fuel cell 1. To be dropped.

그러나, 상기와 같이 연료전지(1)의 전압을 강하시키는 경우, 충돌시 외부 케이스(2)가 차체나 다른 부품과 연결됨으로 인해 인명 상해나 차량 부품의 손상이 발생하는 등 기존의 문제점을 해결하지 못하여 전기적 안전성을 확보하지 못하는 문제가 있다.However, when the voltage of the fuel cell 1 is lowered as described above, existing problems such as personal injury or damage to the vehicle parts may not be solved due to the external case 2 being connected to the vehicle body or other parts during collision. There is a problem that does not secure the electrical safety.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 연료전지와 직결되는 전기저장수단이 구비되어, 연료전지의 동작 중 차량 충돌 등으로 비상 정지가 요구될 시 연료전지의 전압을 안전하게 강하시킬 수 있는 연료전지 전기 안전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been invented to solve the above problems, and is provided with an electrical storage means directly connected to the fuel cell, to safely drop the voltage of the fuel cell when an emergency stop is required due to a vehicle collision during operation of the fuel cell. Its purpose is to provide a fuel cell electrical safety system.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 연료전지에 직결되는 전기저장수단; 상기 연료전지와 구동부 간에 전기적인 연결을 온(ON)/오프(OFF)하는 주전원릴레이; 상기 연료전지와 전기저장수단 간에 전기적인 연결을 온(ON)/오프(OFF)하는 충돌감지릴레이; 차량 충돌을 감지하는 충돌센서; 상기 충돌센서로부터 충돌감지신호를 수신하면, 상기 주전원릴레이를 오프(OFF)시키고, 상기 충돌감지릴레이는 온(ON)시켜서, 상기 연료전지와 전기저장수단이 전기적으로 연결되게 하는 제어기;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 전기 안전 시스템을 제공한다.The present invention to achieve the above object is an electrical storage means directly connected to the fuel cell; A main power relay for turning on / off an electrical connection between the fuel cell and the driving unit; A collision detection relay for turning on / off an electrical connection between the fuel cell and the electrical storage means; A collision sensor for detecting a vehicle collision; A controller for receiving the collision detection signal from the collision sensor, turning off the main power relay, and turning on the collision detection relay, such that the fuel cell and the electrical storage means are electrically connected to each other. It provides a fuel cell electrical safety system, characterized in that configured.

본 발명은 연료전지의 동작 중 차량 충돌 등으로 인해 비상 정지가 요구될 경우 전기를 외부로 내보내지 않고 전기저장수단을 통해 전기를 저장하며 전기적으로 안전하게 연료전지의 전압을 강하시킴으로써 수소 및 전기 안전성을 확보할 수 있다.According to the present invention, when an emergency stop is required due to a collision of a vehicle during operation of a fuel cell, hydrogen and electrical safety are reduced by storing electricity through an electrical storage means and dropping the voltage of the fuel cell safely and safely. It can be secured.

또한, 연료전지의 전기를 외부로 내보내지 않고 전기저장수단에 충전하여 저장하기 때문에 강하시킨 연료전지의 전기에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.In addition, since the electricity of the fuel cell is charged and stored in the electrical storage means without being discharged to the outside, there is an advantage that the electrical energy of the dropped fuel cell can be efficiently used.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention, as used in the singular and the plural unless the context clearly indicates otherwise.

본 발명의 실시예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 설명에 있어서 종래의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.There may be a plurality of embodiments of the present invention, and overlapping descriptions of the same parts as in the prior art may be omitted.

본 발명은 연료전지의 고전압에 대한 전기 안전성을 확보할 수 있는 연료전지 전기 안전 시스템에 관한 것으로, 차량 충돌로 인한 외부 충격이 발생하거나 비정상적인 상태로 비상 정지가 요구될 시 연료전지의 전기에너지를 저장할 수 있는 전기저장수단을 이용하여 연료전지의 전압을 안전하게 강하시킨다.The present invention relates to a fuel cell electrical safety system capable of securing electrical safety against high voltages of a fuel cell. The electrical storage means can be used to safely drop the voltage of the fuel cell.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 전기 안전 시스템을 도시한 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 전기 안전 시스템의 평상시 동작 상태를 도시한 개략도이며, 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 전기 안전 시스템의 차량 충돌시 동작 상 태를 도시한 개략도이다.Figure 2 is a block diagram showing a fuel cell electrical safety system according to the present invention, Figure 3 is a schematic diagram showing a normal operation state of the fuel cell electrical safety system according to the present invention, Figure 4 is a fuel cell according to the present invention Schematic diagram showing the operational state of a vehicle in an electric safety system during a collision.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 전기 안전 시스템은 연료전지(10)의 (+),(-)단자에 직결되는 전기저장수단(20)과, 상기 연료전지(10)와 구동부(70) 간에 전기적인 연결을 온(ON)/오프(OFF)하는 주전원릴레이(30)와, 상기 연료전지(10)와 전기저장수단(20) 간에 전기적인 연결을 온(ON)/오프(OFF)하는 충돌감지릴레이(40) 및 차량 충돌을 감지하는 충돌센서(50) 그리고 상기 주전원릴레이(30)와 충돌감지릴레이(40)의 온/오프를 제어하는 제어기(60)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 2, the fuel cell electrical safety system according to the present invention includes electrical storage means 20 directly connected to the positive and negative terminals of the fuel cell 10, and the fuel cell 10. A main power relay 30 for turning on / off an electrical connection between the driving unit 70 and an electrical connection between the fuel cell 10 and the electrical storage means 20 on / off. (OFF) the collision detection relay 40 and the collision sensor 50 for detecting a vehicle collision and the controller 60 for controlling the on / off of the main power relay 30 and the collision detection relay 40 do.

상기 제어기(60)는 충돌센서(50)가 차량 충돌을 감지하여 충돌감지신호를 송신하면 그 충돌감지신호를 수신하여 연료전지(10)의 전기에너지를 상기 전기저장수단(20)에 저장시키도록 한다.When the collision sensor 50 detects a vehicle collision and transmits a collision detection signal, the controller 60 receives the collision detection signal to store electrical energy of the fuel cell 10 in the electrical storage means 20. do.

이에 상기 제어기(60)는 평상시에는 도 3에 도시된 바와 같이, 주전원릴레이(30)를 온(ON)하고 충돌감지릴레이(40)를 오프(OFF)하여 구동부(70)가 연료전지(10)의 전기에너지를 이용하여 구동될 수 있도록 하고, 차량 충돌시에는 도 4에 도시된 바와 같이, 주전원릴레이(30)를 오프(OFF)하고 충돌감지릴레이(40)를 온(ON)하여 연료전지(10)의 전기에너지가 전기저장수단(20)에 저장되며 연료전지(10)가 전압 강하되게 한다.Accordingly, the controller 60 normally turns on the main power supply relay 30 and turns off the collision detection relay 40, as shown in FIG. In order to be driven using the electric energy of the vehicle, and in the event of a vehicle collision, as shown in FIG. 4, the main power supply relay 30 is turned off and the collision detection relay 40 is turned on. The electrical energy of 10 is stored in the electrical storage means 20 and causes the fuel cell 10 to drop in voltage.

그리고, 상기 제어기(60)는 충돌감지신호를 수신하면 연료전지(10)에 공급되는 수소와 공기를 차단하여 더 이상 수소나 공기가 연료전지(10)로 유입되지 않도록 함으로써 연료전지(10)의 추가적인 전기에너지 생성을 방지한다.When the controller 60 receives the collision detection signal, the controller 60 blocks the hydrogen and air supplied to the fuel cell 10 so that no more hydrogen or air is introduced into the fuel cell 10. Prevent further generation of electrical energy.

또한, 상기 제어기(60)는 충돌 후 일정 시간이 지나면 재시동을 위해 충돌감지릴레이(40)를 오프(OFF)시킬 수 있다.In addition, the controller 60 may turn off the collision detection relay 40 for restarting after a predetermined time after the collision.

그리고, 본 발명에 따른 연료전지 전기 안전 시스템은 주전원릴레이(30)와 충돌감지릴레이(40)의 구동으로 인한 상호 간에 간섭이 발생하지 않도록 한다.In addition, the fuel cell electrical safety system according to the present invention prevents interference between the main power relay 30 and the collision detection relay 40 due to the driving.

즉, 본 발명은 상기 주전원릴레이(30)의 오프(OFF)로 인해 연료전지(10)와 전기저장수단(20) 간에 전기적 연결이 차단되거나, 혹은 상기 충돌감지릴레이(40)의 오프(OFF)로 인해 연료전지(10)와 구동부(70) 간에 전기적 연결이 차단되지 않도록 구성된다.That is, according to the present invention, the electrical connection is cut off between the fuel cell 10 and the electrical storage means 20 due to the OFF of the main power supply relay 30, or the OFF of the collision detection relay 40. Due to this, the electrical connection between the fuel cell 10 and the driver 70 is not blocked.

한편, 본 발명에서 전기저장수단(20)은 반응속도가 비교적 빨라 연료전지(10)의 전압을 수초 내에 강하시킬 수 있는 슈퍼캐패시터로 구성되는 것이 바람직하다.On the other hand, in the present invention, the electrical storage means 20 is preferably composed of a supercapacitor which can lower the voltage of the fuel cell 10 in a few seconds because the reaction rate is relatively fast.

그리고, 상기 연료전지(10)의 강하 전압은 전기저장수단(20)의 충전 용량에 따라 영향을 받으므로 상기 전기저장수단(20)은 연료전지(10)의 전기에너지를 충분히 소모시킬 수 있는 충전 용량으로 구성되는 것이 바람직하다.In addition, since the drop voltage of the fuel cell 10 is affected by the charging capacity of the electrical storage means 20, the electrical storage means 20 is charged to consume the electrical energy of the fuel cell 10 sufficiently. It is preferred to consist of a dose.

이에 상기 전기저장수단(20)은 하나 이상의 슈퍼캐패시터로 구성되며, 병렬 또는 직렬로 연결 구성하여 용량을 증대시킬 수 있다.The electrical storage means 20 is composed of one or more supercapacitors, can be configured in parallel or in series to increase the capacity.

이러한 전기저장수단(20)은 상기 충돌감지릴레이(40)가 온(ON)되면 수초 내에 연료전지(10)의 전압을 0V 근처로 강하시킬 수 있다.The electrical storage means 20 may drop the voltage of the fuel cell 10 to near 0V within a few seconds when the collision detection relay 40 is turned on.

한편, 본 발명에서 상기 충돌센서(50)는 수송기구에 장착되며 1개 이상으로 구성된다.On the other hand, in the present invention, the collision sensor 50 is mounted on the transport mechanism is composed of one or more.

이와 같이 본 발명은 충돌 발생시 연료전지(10)에서 방전되는 전기를 전기저장수단(20)에 저장하여 소모하므로 차량 외부로 전기가 누출되거나 연료전지 케이스가 저항체로 작용하여 발생되는 열로 인한 화재 발생의 위험성을 배제할 수 있다.As described above, the present invention stores and consumes electricity discharged from the fuel cell 10 in the electrical storage means 20 when a collision occurs. Risk can be ruled out.

즉, 연료전지(10)의 비상 정지시 연료전지(10)의 전기에너지 소모로 인한 발열이 최소화되어 인명 상해나 발열에 의한 2차적인 차량 내 부품 손상 또는 화제를 예방할 수 있다.That is, heat generation due to electric energy consumption of the fuel cell 10 may be minimized during an emergency stop of the fuel cell 10, thereby preventing secondary parts damage or fire caused by personal injury or heat generation.

이하, 본 발명에 따른 연료전지 전기 안전 시스템의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the operating state of the fuel cell electric safety system according to the present invention will be described.

도 3에 도시된 바와 같이, 평상시에는 충돌센서(50)가 차량 충돌을 감지하지 않으므로 충돌감지신호를 발생하지 않고, 이에 제어기(60)는 주전원릴레이의 온(ON) 상태와 충돌감지릴레이(40)의 오프(OFF) 상태를 유지하여 연료전지(10)의 전기에너지가 구동부(70)에 공급되도록 한다.As shown in FIG. 3, since the collision sensor 50 does not normally detect a vehicle collision, a collision detection signal is not generated. Accordingly, the controller 60 is in an ON state of the main power relay and a collision detection relay 40. ) To maintain the OFF state so that the electrical energy of the fuel cell 10 is supplied to the driving unit 70.

차량의 충돌이 발생하게 되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 충돌센서(50)가 충돌을 감지하여 충돌감지신호를 제어기(60)에 송신하고, 이에 상기 제어기(60)는 주전원릴레이(30)를 오프(OFF)하고 충돌감지릴레이(40)를 온(ON)하여 연료전지(10)의 전기에너지가 전기저장수단(20)에 저장되며 소모되도록 하는 동시에 구동부(70)로 공급되는 연료전지(10)의 전기에너지를 차단한다.When a collision of the vehicle occurs, as shown in FIG. 4, the collision sensor 50 detects a collision and transmits a collision detection signal to the controller 60, whereby the controller 60 receives the main power relay 30. The fuel cell 10 is turned off and the collision detection relay 40 is turned on so that the electric energy of the fuel cell 10 is stored and consumed in the electric storage means 20 and is supplied to the driving unit 70. Cut off the electrical energy of 10).

그리고, 상기 제어기(60)는 연료전지(10)에 공급되는 수소와 공기를 차단하 여 전기에너지의 추가 생성을 방지한다.In addition, the controller 60 blocks the hydrogen and air supplied to the fuel cell 10 to prevent further generation of electrical energy.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments thereof, the invention is not limited to these embodiments, and has been claimed by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains. It includes all the various forms of embodiments that can be implemented without departing from the spirit.

도 1은 기존 연료전지 전기 안전 시스템을 갖추고 있는 전기 자동차를 도시한 부분도1 is a partial view showing an electric vehicle equipped with a conventional fuel cell electric safety system

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 전기 안전 시스템을 도시한 구성도Figure 2 is a block diagram showing a fuel cell electrical safety system according to the present invention

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 전기 안전 시스템의 평상시 동작 상태를 도시한 개략도3 is a schematic diagram showing a normal operation state of the fuel cell electrical safety system according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 연료전지 전기 안전 시스템의 차량 충돌시 동작 상태를 도시한 개략도4 is a schematic diagram showing an operating state during a vehicle collision of the fuel cell electrical safety system according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 연료전지10: fuel cell

20 : 전기저장수단20: electric storage means

30 : 주전원릴레이30: main power relay

40 : 충돌감지릴레이40: collision detection relay

50 : 충돌센서50: collision sensor

60 : 제어기60: controller

70 : 구동부70: drive unit

Claims (3)

연료전지(10)에 직결되는 전기저장수단(20);Electrical storage means 20 directly connected to the fuel cell 10; 상기 연료전지(10)와 구동부(70) 간에 전기적인 연결을 온(ON)/오프(OFF)하는 주전원릴레이(30);A main power relay 30 for turning on / off an electrical connection between the fuel cell 10 and the driving unit 70; 상기 연료전지(10)와 전기저장수단(20) 간에 전기적인 연결을 온(ON)/오프(OFF)하는 충돌감지릴레이(40);A collision detection relay 40 for turning on / off an electrical connection between the fuel cell 10 and the electrical storage means 20; 차량 충돌을 감지하는 충돌센서(50);A collision sensor 50 for detecting a vehicle collision; 상기 충돌센서(50)로부터 충돌감지신호를 수신하면, 상기 주전원릴레이(30)를 오프(OFF)시키고, 상기 충돌감지릴레이(40)는 온(ON)시켜서, 상기 연료전지(10)와 전기저장수단(20)이 전기적으로 연결되게 하는 제어기(60);When the collision detection signal is received from the collision sensor 50, the main power supply relay 30 is turned off and the collision detection relay 40 is turned on to store electricity with the fuel cell 10. A controller 60 for causing the means 20 to be electrically connected; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 전기 안전 시스템.Fuel cell electrical safety system, characterized in that configured to include. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제어기(60)는 충돌감지신호를 수신하면 상기 연료전지(10)에 수소와 공기의 공급을 차단시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기 안전 시스템.The controller 60 cuts off the supply of hydrogen and air to the fuel cell when receiving the collision detection signal, the fuel cell electrical safety system. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 전기저장수단(20)은 하나 이상의 슈퍼캐패시터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기 안전 시스템.The electrical storage means 20 is a fuel cell electrical safety system, characterized in that consisting of one or more supercapacitors.
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